7 Beschrijving en analyse bestaande bellenschermen
7.3 Inschatting effectiviteit
7.3.1 Den Oever, Stevinsluis
Op basis van het luchtdebiet volgens [8], ca. 160 Nl/s, kan een inschatting worden gemaakt van de daarmee te behalen beperking van de zoutindringing. Deze is als volgt opgebouwd. De effectiviteit van een bellenscherm wordt uitgedrukt in een doorlaatfractie: dit is een factor op de massa-flux door kolkuitwisseling over een sluishoofd. (N.B.: dit is niet een factor op het zouttransport door een sluis; daarvoor moeten de effecten op beide sluishoofden met elkaar worden gecombineerd.) Zoals in de eerdere hoofdstukken is uitgewerkt wordt deze massaflux, de snelheid van de kolkuitwisseling, bepaald door het dichtheidsverschil tussen de kolk en de voorhaven, en dit dichtheidsverschil wordt onder andere bepaald door de tijd dat de deuren in voorgaande schuttingen open hebben gestaan, inclusief de werking van de bellenschermen in die voorgaande schuttingen.
De rekenstappen zijn daarom als volgt:
• er wordt een doorlaatfractie aangenomen;
• er wordt een deur-opentijd aangenomen: beschouwd worden de nominale deur-opentijd van (effectief) 22 min (uitvaren + invaren + 2x de helft van de tijd voor het bewegen van de deur) en een lage waarde van 7 minuten (de waarde die hoort bij de situatie waarin een schutcyclus wordt afgewerkt in een half uur);
• met behulp van de 3e graads polynoom (zie [10], en zie de ‘N.B.’ hieronder) wordt de
evenwichtscyclus berekend; hierbij is aan beide kanten een waterstand van 0m NAP aangenomen;
• hieruit volgt de variatie van de saliniteit, en daarmee de dichtheid, van het water in de kolk; (deze variatie, het verschil tussen de maximale en de minimale waarde in de kolk, wordt in onderstaande tabel weergegeven als een factor op het verschil in zoutgehalte tussen de randvoorwaarden: een factor van 0,5 betekent dan dat de kolk varieert tussen 7 en 19 kg/m3, een verschil van 12 kg/m3, bij randvoorwaarden van 1 en 25 kg/m3, een
Langs deze stappen is dus ook, iteratief, uit te rekenen welke doorlaatfractie gehaald kan worden met het aangenomen luchtdebiet, gegeven een bepaalde deur-opentijd binnen een regelmatige cyclus. De resultaten worden getoond in onderstaande tabel.
N.B.: In plaats van de 3e graads polynoom had hier ook de Zeesluisformulering kunnen
worden ingezet. Het is daarin ook mogelijk om een doorlaatfractie in te voeren. De code zou uitgebreid kunnen worden met de mogelijkheid om een luchtdebiet op te geven, waaruit dan de doorlaatfractie wordt bepaald. Die optie zou het bijvoorbeeld mogelijk gemaakt hebben om de berekeningen zoals gepresenteerd in Hoofdstuk 6 opnieuw te doen voor de situatie met een bellenscherm.
Deur-opentijd beide kanten (regelmatige cyclus): eff. 22 min eff. 7 min
Doorlaatfractie: 0,32 0,25
Variatie saliniteit in de kolk:
(factor ten opzichte van de randvoorwaarden)
0,30 0,06
Zouttransport per schutting (met bellenscherm): 65 ton 14 ton
Benodigd luchtdebiet: Ca. 160 Nl/s Ca. 160 Nl/s
Zouttransport per schutting (zonder bellenscherm): 193 ton 65 ton Tabel 7.1
De berekening laat zien dat met de bestaande capaciteit een grote beperking van het zouttransport behaald kan worden, vooral in combinatie met beperkte deur-opentijden.
Bovenstaande berekening is gevoelig voor de aangenomen zoutgehalten in de beide voorhavens, nu gesteld op 1 kg/m3 aan de binnenkant en 25 kg/m3 aan de buitenkant. Als het
verschil in saliniteit tussen beide voorhavens kleiner wordt is er met het beschikbare luchtdebiet een (nog) grotere reductie in zoutindringing te behalen.
7.3.2 Kornwerderzand, de Grote Sluis
Volgens de tekeningen van de installatie is er te Kornwerderzand een groter luchtdebiet dan bij Den Oever: met twee tandem-compressoren is dit ca. 240 Nl/s, met een zo’n compressor ca. 120 Nl/s. Met dit grotere luchtdebiet is het mogelijk om een hoge effectiviteit (lage doorlaatfractie) te behalen bij grotere deur-opentijden: met twee compressoren is tot 35 minuten deur-opentijd een doorlaatfractie haalbaar van 0,25.
Deur-opentijd beide kanten (regelmatige cyclus): eff. 35 min eff. 7 min
Doorlaatfractie: 0,25 0,32
Variatie saliniteit in de kolk:
(factor ten opzichte van de randvoorwaarden)
0,39 0,08
Zouttransport per schutting (met bellenscherm): 84 ton 18 ton
Benodigd luchtdebiet: Ca. 240 Nl/s Ca. 120 Nl/s
Zouttransport per schutting (zonder bellenscherm): 216 ton 65 ton Tabel 7.2
Een doorlaatfractie van 0,25 (een reductie van de snelheid van de kolkuitwisseling met een factor 4) is naar de huidige inzichten ongeveer het hoogste haalbare: als nog meer lucht wordt gebruikt neemt de doorlaatfractie in de praktijk niet meer af, omdat er ook steeds meer menging ontstaat. Zo’n situatie ontstaat ook als de deur-opentijden korter worden dan 35 minuten.
De grote hoeveelheid lucht impliceert ook een grotere hinder voor de schepen, wat niet alleen onrust geeft, maar ook vertragend werkt op de operatie. In de praktijk lijkt het daarom voordeliger om het luchtdebiet wat te reduceren, om daarmee de hinder voor de schepen te reduceren, en vooral te blijven mikken op het beperken van de deur-opentijden.
Ter oriëntatie is daarom een berekening gedaan met één compressor en een deur-opentijd van 7 minuten: daarbij wordt een doorlaatfractie van 0,32 gehaald.
Het lijkt er op dat een luchtdebiet van 240 Nl/s, twee tandem-compressoren, eigenlijk meer dan nodig is, terwijl één tandem-compressor in de meeste gevallen (deur-opentijden groter dan 7 minuten) wat tekort schiet. Het debiet dat nu voor de Kleine Sluis beschikbaar is, ca. 190 Nl/s, is wel een geschikte waarde.
7.3.3 Kornwerderzand, de Kleine Sluis
Door de korte lengte is de kolk van de Kleine Sluis al snel helemaal uitgewisseld. Om een significante beperking van het zouttransport te bereiken moet de snelheid van de kolkuitwisseling dus sterk worden vertraagd, waarvoor relatief veel lucht nodig is.
Het luchtdebiet van de twee compressoren voor de Kleine Sluis, 190 Nl/s, nu ingezet op een kolkbreedte van 9 m i.p.v. op de 14 m van de Grote Sluis, blijkt met een kleine marge voldoende om bij een deur-opentijd van 22 minuten een doorlaatfractie van 0,25 te bereiken: hiervoor zou 170 Nl/s volstaan. Bij een deur-opentijd van 7 minuten volstaat een luchtdebiet van ca. 110 Nl/s, net iets minder dan de capaciteit van een tandem-compressor.
Deur-opentijd beide kanten (regelmatige cyclus): eff. 22 min eff. 7 min
Doorlaatfractie: 0,25 0,25
Variatie saliniteit in de kolk:
(factor ten opzichte van de randvoorwaarden)
0,50 0,13
Zouttransport per schutting (met bellenscherm): 35 ton 9 ton
Benodigd luchtdebiet: Ca. 170 Nl/s Ca. 110 Nl/s
Zouttransport per schutting (zonder bellenscherm): 70 ton 45 ton Tabel 7.3
Bij de deur-opentijd van 22 minuten wordt met 170 Nl/s het zouttransport per schutcyclus gereduceerd van 70 ton naar 35 ton, een besparing van 35 ton. Ter vergelijking: met 160 Nl/s wordt op een grote sluis (Kornwerderzand of Den Oever) een besparing gerealiseerd van (193 – 65) = 128 ton. Bij de Kleine Sluis is de ‘opbrengst’, de besparing in tonnen zout per geïnvesteerde hoeveelheid elektrische energie (kWh) dus vrij beperkt. Bovendien zal dit gepaard gaan met vrij veel lucht over een beperkte breedte van sluis, waardoor de hinder voor de jachten aanzienlijk zou kunnen zijn, zie ook de volgende Paragraaf.
Al met al kan de vraag gesteld worden of voor de Kleine Sluis de kosten (in investering, onderhoud en kWh), samen met de hinder voor de scheepvaart, opwegen tegen de te behalen besparing in zouttransport.
7.3.4 Afweging Grote Sluis of Kleine Sluis bij weinig aanbod
Als, in lijn met het bovenstaande, besloten zou worden om op de Grote Sluis wél, en op de Kleine Sluis geen bellenschermen in te zetten, dan verandert de afweging omtrent de inzet van een van beide sluizen bij weinig aanbod.
Zonder bellenschermen zal de Kleine Kolk na ca. 10 min effectieve deur-opentijd een zouttransport produceren van ca. 65 ton (zie Figuur 6.14). Ditzelfde transport wordt bereikt door de Grote Sluis met bellenschermen na (iets meer dan) 22 min: zie Tabel 7.1, Den Oever, met 160 Nl/s (bij Kornwerderzand iets meer). Voor deur-opentijden korter dan effectief 22 min, zoals te verwachten bij gering aanbod, zal de Grote Sluis dus minder zout transporteren dan de Kleine Sluis.
7.3.5 Den Oever, de deel-kolk
Het is niet bekend of de deel-kolk ook is voorzien van bellenschermen, en zo ja, aan welke kant van de deuren van het tussenhoofd. De conclusies voor de Kleine Sluis te Kornwerderzand geven echter ook aan dat een bellenscherm op de deel-kolk(-en) van de sluis te Den Oever weinig zinvol zal zijn. Er is voor Den Oever al geconcludeerd dat het bij weinig aanbod de voorkeur heeft te blijven schutten met de hele kolk en daarbij vooral de deur-opentijden te beperken. Met de inzet van bellenschermen wordt dit advies nog sterker.
Dit volgt uit de getallen zoals gepresenteerd in de tabellen van dit hoofdstuk: bij Den Oever, de hele kolk, met een luchtdebiet van 160 Nl/s en kleine deur-opentijden (effectief 7 minuten) wordt het zouttransport gereduceerd naar slechts 14 ton per schutcyclus. Als we de Kleine Sluis in de breedte opschalen naar de breedte van de deelkolk (van 9 naar 14 m) vinden we voor dezelfde deur-opentijd hetzelfde zouttransport bij een zelfde luchtdebiet (ook evenredig groter met de breedte). Voor langere deur-opentijden geldt het verloop zoals afgebeeld in Figuur 6.6: het zouttransport van de deel-kolk en de hele kolk nemen gelijkelijk toe met de deur-opentijd, totdat de deel-kolk bijna volledig is uitgewisseld. Door de vertraging in de snelheid van de kolk- uitwisseling kan de deur-opentijd echter veel groter worden totdat dit punt wordt bereikt. Kortom: bij inzet van bellenschermen is er, bij alle redelijk te verwachten deur-opentijden, geen voordeel te behalen door de deel-kolk te gebruiken. Bovendien wordt het nadeel ervan, de verstoring van een gunstige conditie (gematigde saliniteit) in de hele kolk, daarbij groter.